Deutsche Hochschulen gewinnen internationalen Kleinwindanlagen-Wettbewerb

Hochschul-Wettbewerb Kleinwindanlagen

Mit Erfolg haben Studenten des Masterstudiengangs Wind Engineering der FH Kiel und FH Flensburg an einem internationalen Kleinwindanlagen-Wettbewerb teilgenommen. Im Windkanal hat die Windturbine mit 500 Watt Nennleistung die anderen Windgeneratoren hinter sich gelassen. Ein weiteres Beispiel dafür, dass sich das Thema Kleinwindkraft in Forschung und Lehre großer Beliebtheit erfreut.

 

Niederländische Hochschule als Ausrichter

Ausrichter des Wettbewerbs war die niederländische Hochschule NHL Hogeschool Leeuwarden. Der im September 2012 gestartete internationale Wettbewerb richtete sich an Studenten aus Technischen Universitäten und wurde zum ersten Mal ausgelobt.

In der ersten Phase des Wettbewerbs musste ein Design-Report eingereicht werden. Für den Report waren u.a. eine Anlagenbeschreibung, Spezifikationen der Auslegungsbedingungen, eine Lastenrechnung, Festigkeitsnachweise und eine Berechnung der Amortisationszeit (estimate of energy pay-back time) vorgeschrieben.

Eine positive Begutachtung des Design-Reports durch das Wettbewerbskomitee führte zur Teilnahme an der zweiten Phase, die durch die Erstellung der Windkraftanlagen gekennzeichnet war. Der Bau der Anlage musste zum Finale am 27.06.2013 abgeschlossen sein. Dafür hatten die Teams rund 5 Monate Zeit.

Ursprünglich haben sechs internationale Teams teilgenommen, drei Teams sind im Laufe des Wettbewerbs ausgestiegen. Neben dem gemeinsamen Team der Fachhochschulen Flensburg und Kiel haben je ein Team der niederländischen Hochschulen TU Delft und der NHL Leeuwarden eine Windturbine konstruiert.

Technische Rahmenbedingungen für die Konstruktion der Turbine

Die umstrichene Rotorfläche durfte maximal 2 m2 betragen. Bei einem horizontalen Windrad entspricht das einem Rotordurchmesser von maximal 1,6 m.

Windbedingungen als klimatische Voraussetzungen für den Betrieb der Kleinwindkraftanlagen: Auf einer Höhe von 10 m wird eine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit von 4 m/s angesetzt. Windverteilung (Weibull-Faktoren): A=4,5 und k=2.

Die Windturbine soll für den automatischen Betrieb und die Batterieladung ausgelegt sein. Ferner wurden diverse Anforderungen an die Sicherheit des Windgenerators gestellt.

Das Team

Test der Kleinwindanlage im Windkanal

Kleinwindanlage vor dem Windkanal

Das Kernteam bestand aus den fünf Mitgliedern Karuna Gill, Tjark Beye, Marcel Schedat, Boris Wanschura und Lennart Hingst. Beim Bau der Anlage wurden die Studenten von der Werkstatt der FH Flensburg unterstützt. Eine finanzielle Unterstützung erfolgte durch das Wind Energy Technology Institute (WETI) an der FH Flensburg sowie von deren Stiftern. Eine Betreuung erfolgte durch Prof. Alois Peter Schaffarczyk (FH Kiel) und Prof. Torsten Faber (FH Flensburg).

Ohne Fleiß kein Preis: Jedes Teammitglied hat im Schnitt rund 500 Stunden für beide Phasen des Wettbewerbs aufgebracht.

Test im Windkanal

Im Windkanal der TU Delft in der Nähe von Rotterdam wurde die Leistungskurve mittels einer variablen Last aufgenommen. Für verschiedene Windgeschwindigkeiten und Drehzahlen wurden jeweils die Leistung gemessen und die Leistungsbeiwerte (cp- Werte) ermittelt. Die Gewinner-Turbine konnte einen hervorragenden maximalen Leistungsfaktor von 0,38 bei einer Schnelllaufzahl von ca. 5,5 vorweisen. Es wurde eine Leistung von 480 Watt erreicht, die Nennleistung von 500 Watt wurde nur knapp unterschritten.

Technische Daten der erfolgreichen Windkraftanlage

Hinsichtlich der einzelnen Komponenten der Kleinwindanlage wurden Rotorblätter, Generator und Normteile wie Lager zugekauft. Alle anderen Teile wurden selber entwickelt, gefertigt und geprüft.

Rotor

  • Horizontale Rotorachse
  • Drei Rotorblätter (Hersteller: Multi Wing)
  • Rotordurchmesser: 1,6 m

Generator

  • Generatortyp: Permanenterregte Synchronmaschine, 6 polig
  • Nennleistung: 500W

Getriebe

  • Kettentrieb
  • Übersetzungsverhältnis 1:2,375

Leistungsregelung

  • Im Teillast-Bereich: Maximum Power Point Tracking (MPPT) durch Laderegler
  • Im Volllast-Bereich: Helikopter- Regelung, bei zu starkem Wind kippt der Rotor nach oben

Sicherheitssysteme

  • Schutz vor Überdrehzahl durch die Helikopter-Regelung
  • Manuelle Scheibenbremse, um den Rotor zu Wartungszwecken oder im Notfall stillsetzen zu können
  • Elektrische Bremse über einen Bremswiderstand
  • Schleifringe zur Vermeidung der Kabel-Verdrillung, wenn die Anlage in den Wind dreht

Erfolgsgeheimnis

Für Tjark Beye von der FH Kiel hat es sich für das Gewinner-Team ausgezahlt, nicht alle Komponenten wie den Generator selbst zu entwickeln. In Großserie gefertigte Komponenten von renommierten Herstellern würden deutlich besser und günstiger gefertigt, als man selber dazu in der Lage wäre. Die größte Herausforderung, so Karuna Gill, lag in der Fokussierung auf die eigenen Kompetenzen des Teams bestehend aus einem Maschinenbauer, drei Energietechnikern mit Fachrichtung Anlagentechnik und einer Wirtschaftsingenieurin. Frau Gill betont den hohen Stellenwert einer guten Projektplanung, um ein solches Projekt in der vorgegebenen Zeit realisieren zu können.

Ausblick

Ein Teammitglied arbeitet bereits an einem neuen Prototypen mit ca. 5,5 m Rotordurchmesser und 7 kW Nennleistung sowie einigen interessanten neuen Features. Die Kleinwindanlage wird voraussichtlich im Frühjahr 2014 ihren Probebetrieb an der Westküste Schleswig-Holsteins aufnehmen. Ob dieses Modell zukünftig am Markt angeboten wird ist jedoch bisher offen.